JP2005071764A

JP2005071764A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2005071764A
Application number: JP2003299110A
Authority: JP
Inventors: Takamitsu Tokuoka; 貴光徳岡
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】安定した性能を保証すると共に発電効率を高めた燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】水素ガス及び空気中の酸素ガスを燃料として電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池２と、燃料電池２に圧縮空気を送り込む圧縮機３と、圧縮機３から燃料電池２までを接続して燃料電池２に圧縮空気を供給する圧縮空気供給流路５と、圧縮空気供給流路５上に設けられ圧縮空気の温度を調節する熱交換器９と、熱交換器９の上流側に配置され圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去フィルタ７と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の移動体車両に搭載される燃料電池発電システムに関する。

燃料電池は、水素ガスと酸素ガスとを電気化学的に反応して、燃料の持つ化学エネルギを電気エネルギに直接変換する装置である。化学エネルギを電気エネルギに直接変換するため、燃料電池の発電効率は火力発電などの他の発電システムに比べて高い。また、燃料電池は、化石燃料を使用しないため資源の枯渇が問題とならず、発電に伴い排気ガスが生じない等の利点を有することから、地球環境保護の観点からも注目されている。そこで、近年、燃料電池は、自動車搭載用の動力源としての実用化が進められている。

燃料電池発電システムでは、酸素を含むカソードガス（空気）を燃料電池に供給するカソードガス供給流路上に、空気調整用機器として、消音器、熱交換器及びフィルタを順次配置している（特許文献１参照）。

本技術によれば、カソードガス圧縮に伴う騒音を消音器により低減し、燃料電池から要求される温度にまでカソードガスを熱交換器により冷却し、カソードガス中に含まれる有害な塵埃をフィルタにより除去している。
特開２００２−１１０２１３号公報（第６頁、第４図）

しかしながら、上記燃料電池発電システムでは、熱交換器と燃料電池との間にフィルタを設置しており、圧縮空気がフィルタを通過する際、圧縮空気の温度変化が発生してしまう。特に、フィルタでの不純物の除去効果を向上させるためにフィルタと圧縮空気との接触面積とを大きくすると、フィルタでの圧縮空気の放熱量が高くなり、フィルタ通過後の圧縮空気の温度が著しく低下してしまっていた。このようにフィルタ通過時に圧縮空気の温度変化が生じてしまうため、燃料電池の運転状況の変化に対応した圧縮空気の温度調整が難しかった。

また、燃料電池の入口部において、燃料電池と圧縮空気との温度差が増大すると、圧縮空気に含まれる水分が燃料電池入口部で凝縮水となり、凝縮水が燃料電池内の流路を閉塞してしまっていた。さらに、凝縮水が生じると、燃料電池内の水量コントロールが難しくなり、この結果、燃料電池システムでの発電が不安定となり、発電効率が低下してしまうという問題を有していた。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、第１の発明である燃料電池発電システムは、水素ガス及び空気中の酸素ガスを燃料として電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池に圧縮空気を送り込む圧縮機と、前記圧縮機から前記燃料電池までを接続して燃料電池に圧縮空気を供給する圧縮空気供給流路と、前記圧縮空気供給流路上に設けられ圧縮空気の温度を調節する熱交換器と、前記熱交換器の上流側に配置され圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去フィルタと、を備えることを要旨とする。

本発明の燃料電池発電システムによれば、熱交換器を燃料電池の近傍に配置して放熱による温度低下を防止し、燃料電池と同程度の温度とした圧縮空気を燃料電池内に供給して、安定した性能を保証すると共に発電効率を高めることができる。

以下、本発明に係る燃料電池発電システムについて、第１実施形態から第４実施形態までを用いて説明する。

＜第１実施形態（図１）＞
本実施形態では、燃料電池発電システムの基本的な構成について、図１を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの一例を概略的に示す構成図である。図１に示すように、燃料電池発電システム１には、空気中の酸素ガス及び水素ガスを燃料として電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池２と、燃料電池２の酸化剤極に圧縮空気を送り込む圧縮機３と、を備える。圧縮機３には電動機４が接続され、圧縮機３後流側から燃料電池２までに、燃料電池２に圧縮空気を導入する圧縮空気供給流路５を接続している。

圧縮空気供給流路５には、圧縮空気調整用機器として、順次、消音器６と、不純物除去フィルタ７と、触媒型ケミカルフィルタ８と、熱交換器９と、加湿器１０と、を備える。なお、燃料電池２後流側に、流量調節弁１１を備えている。本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム１では、不純物除去フィルタ７や触媒型ケミカルフィルタ８の後流側に熱交換器９を配置して、熱交換器９と燃料電池２との間の距離を狭めたものである。圧縮空気調整用機器の各機器についての説明は、後述する。

上記燃料電池発電システム１には、燃料電池２及び熱交換器９に接続して、冷媒を循環させる冷媒循環手段１２を設けている。

冷媒循環手段１２は、燃料電池２及び熱交換器９に環状の冷媒循環流路１３を接続しており、冷媒循環流路１３の熱交換器９後流側にラジエータ１４を配置して、ラジエータ１４後流側の冷媒循環流路１３に循環ポンプ１５を備える。

不純物除去フィルタ７と熱交換器９との間には、圧縮空気導入流路５と分岐して分岐流路１６を接続しており、分岐流路１６の端部は燃料電池２に接続している。分岐流路１６には流量調節弁１７を設置しており、流量調節弁１７により分岐流路１６に流れる圧縮空気の流量を調節している。

以下、圧縮空気調整用機器について説明する。

消音器６は、圧縮機３で空気を圧縮した際の圧力脈動騒音を低減する装置である。また、消音器６では、圧縮機３の圧力脈動を低減できるだけでなく、フィルタ７，８や熱交換器９等の空気調整機器から発生する騒音も防ぐことができる。

不純物除去フィルタ７は、物理的に砂や塵埃等の不純物を除去するフィルタであり、不織布状、微細なメッシュ状、又はスポンジ状の材質から構成され、公知の内燃機関用エアフィルタを使用すれば良い。

触媒型ケミカルフィルタ８は、一酸化炭素や硫黄等の燃料電池に対して有害な成分を除去するフィルタであり、化学反応により有害物質を無害なものに変化させるか又は吸着させるものであり、燃料電池用燃料改質システム等に使用される公知のフィルタを使用すれば良い。なお、熱交換器９の上流側に触媒型ケミカルフィルタ８を配置して、圧縮機３を通過した後の高温空気を触媒型ケミカルフィルタ８に導入することにより、触媒型ケミカルフィルタ８内の触媒が活性化し、有害成分の除去性能を向上することができる。

熱交換器９は、圧縮空気と冷媒とを接触させて熱交換をする装置である。熱交換器９では、冷媒循環流路１３を介して燃料電池２から排出される冷媒を導入しているため、空気を一定温度に冷却できるだけでなく、燃料電池２の温度が高い場合は、排出される冷媒も高温となり、熱交換器９により圧縮空気を燃料電池２の温度まで加熱することができる。このため、熱交換器９では、容易かつ効率的に圧縮空気と燃料電池との温度を同一とすることができる。

加湿器１０は、燃料電池２に必要な湿度まで空気を加湿するものである。加湿器１０は、熱交換器９後流側に配置して、燃料電池２との温度差を減らした上で湿度調整できるため、燃料電池２内での凝縮水の発生を抑制することができる。

上記構成の燃料電池発電システム１では、電動機４により圧縮機３が駆動され、圧縮機３により外気を取り込んだ後圧縮し、圧縮空気を圧縮空気供給流路５に送り出す。圧縮空気は、消音器６により圧力脈動騒音が低減され、不純物除去フィルタ７で空気中の砂や埃などの不純物が除去された後、触媒型ケミカルフィルタ８で一酸化炭素や硫黄等の有害成分を除去する。各フィルタ７，８で不純物や有害成分を除去した後、圧縮空気は熱交換器９に導入され、その後、圧縮空気は、電池の要求温度まで冷却された後、加湿器１０に導入され、加湿された後、燃料電池２の酸化剤極に供給される。

冷媒循環流路１３を循環する冷媒は、燃料電池２及び熱交換器９をそれぞれ冷却した後、循環ポンプ１５で昇圧され、その後、冷媒循環流路１３に送り出されて燃料電池２に入る。冷媒は、発電により高温になった燃料電池２を冷却した後、熱交換器９に導入され、圧縮空気を冷却する。

一方、熱交換器９で熱交換された冷媒は、ラジエータ１４に導入され、所定温度まで冷却した後、再び循環ポンプ１５の駆動により熱交換器９に戻る。

本実施形態によれば、熱交換器により燃料電池から排出された冷媒と圧縮空気とを直接熱交換したため、複雑な制御をすることなく燃料電池の温度変化に対応した温度制御をすることができる。

また、本実施形態によれば、熱交換器を燃料電池に近づけて配置し、熱交換器と燃料電池との間の距離を短くしたため、熱交換器から排出された圧縮空気が放熱により温度低下することがない。この結果、熱交換器で温度調節した圧縮空気を燃料電池の酸化剤極へ供給する際、温度変化を防ぐことができる。

従って、燃料電池入口部において、圧縮空気と燃料電池との温度差により圧縮空気中の水分が燃料電池入口部で凝縮して凝縮水が発生しないため、燃料電池内の流路の閉塞を防止でき、容易に燃料電池内の水量を制御することができる。
さらに、本実施形態では、圧縮空気供給流路から分岐して分岐流路を接続している。このため、氷点下で燃料電池システム始動する場合等に、圧縮機で高温になり、フィルタで不純物を除去されたクリーンな圧縮空気を分岐流路から取り出して、燃料電池内や冷却水タンク、加湿水タンク等に供給して、機器を暖めるために利用することができる。

＜第２実施形態（図２）＞
本実施形態では、第１実施形態に係る燃料電池発電システムを燃料電池式四輪自動車に搭載した例を挙げて、図２を用いて説明する。なお、図１に示した燃料電池発電システム１の構成と同一箇所の説明は同一符号を用いて、その説明を省略する。

図２は、図１に示した燃料電池発電システム１を燃料電池式四輪自動車に搭載した図を示す。

図２に示すように、燃料電池式四輪自動車１８は、車体１９下部の前方及び後方に各々前輪２０及び後輪２１を備えており、車体１９内部には、乗車シート前列２２及び乗車シート後列２３を各々配置している。

車体１９前方にはエンジンコンパートメント部２４を形成しており、エンジンコンパートメント部２４は、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合して構成される。車体１９後方の底部には、車体床下部２５を形成している。

燃料電池発電システム１の圧縮機３からフィルタ８までの圧縮空気供給流路５は、エンジンコンパートメント部２４内に格納し、熱交換器９から燃料電池２までの圧縮空気供給流路５は、車体床下部２５に格納している。そして、車体１９内に設置した不純物除去フィルタ７及び触媒型ケミカルフィルタ８は、車体床下部２５に設けた熱交換器９よりも上側の高い位置に配置している。さらに、燃料電池２の排出側に排気管２６を接続しており、排気管２６には排気マフラ２７を設置している。

上記構成の燃料電池式四輪自動車１８では、外界から取り入れた空気を圧縮機３により圧縮した後、消音器６で騒音を除去する。その後、不純物除去フィルタ７及び触媒型ケミカルフィルタ８により不純物や有害成分を除去した後、車体床下部２５に設置した熱交換器９に導入する。熱交換器９により圧縮空気を所定温度に調整後、加湿器１０で圧縮空気を加湿した上で燃料電池に導入する。燃料電池では、図示しない水素供給手段から供給された水素ガスと圧縮空気中の酸素ガスとを電気化学的に反応させて、電力を生成する。燃料電池２での未反応ガスを排気管２６から排気する際、排気マフラ２７により排気騒音を低減して排気する。

本実施形態によれば、熱交換器及び燃料電池を車体床下に配置して、両者の距離をより一層近づけたため、圧縮空気の温度変化を抑制する効果を高めることができる。

また、本実施形態によれば、フィルタの設置位置を熱交換器よりも上側に配置したため、フィルタから熱交換器までの圧縮空気供給流路で発生した凝縮水がフィルタ内に溜まるのを防ぐことができる。

さらに、フィルタと熱交換器の間の圧縮空気供給流路から分岐する分岐流路を接続したため、氷点下で燃料電池発電システムを始動する場合に、圧縮機で高温化し、フィルタで不純物を除去した圧縮空気を分岐流路から取り出して、機器を暖めるために利用することができる。

また、本実施形態によれば、エンジンコンパートメント内にフィルタを配置したため、容易にフィルタの交換作業を行うことができる。

＜第３実施形態（図３、図４）＞
本実施形態では、第１実施形態に示した燃料電池発電システムにおける冷媒循環手段を改良したものである。なお、図１に示した燃料電池発電システムの構成と同一箇所の説明は同一符号を用いて、その説明を省略する。

図３は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの一部を示す構成図である。

図３に示すように、燃料電池発電システム２８の冷媒循環手段１２は、燃料電池２上流側の入口手前で分岐して、燃料電池２をバイパスして燃料電池２後流側の環状の冷媒循環流路１３に燃料電池バイパス冷媒流路２９を接続している。燃料電池パイパス冷媒流路２９に流量調節弁３０を設置すると共に、環状の冷媒循環流路１３と燃料電池バイパス冷媒流路２９との分岐部後流側の冷媒循環流路１３に、流量調節弁３０を設置している。

燃料電池２に温度センサ３２を接続し、圧縮空気供給流路５の熱交換器９上流側の入口部にも温度センサ３３を接続している。

燃料電池発電システム２８には制御装置３４が設置され、制御装置３４は、各温度センサ３２、３３に接続されると共に各流量調節弁３０，３１に接続している。

なお、図３に示した燃料電池発電システム２８では、冷媒循環流路１３上及び燃料電池バイパス冷媒流路２９上に各々流量調節弁３０，３１を設置したが、冷媒循環流路１３と燃料電池バイパス冷媒流路２９との分岐部に、三方弁を設置した構成としても良い。

上記構成の燃料電池発電システム２８において、制御装置３４で実行するバイパス流量制御の処理手順のフローチャートを図４に示す。なお、図４のフローチャートに示す処理は、燃料電池発電システム２８の始動運転開始後に実行される。

図４に示すように、まず、ステップＳ１では、冷媒循環流路１３上の流量調節弁３１を全開にする。次に、ステップＳ２では、燃料電池バイパス冷媒流路２９上の流量調節弁３０を全閉にする。ステップＳ３では、燃料電池２に接続した温度センサ３２と、圧縮空気供給流路５上に接続された温度センサ３３とにより、燃料電池２の温度と圧縮空気の温度を計測する。ステップＳ４では、ステップＳ３で計測した値から温度差ΔTを演算し、その後、温度差ΔTの絶対値が所定のしきい値である基準値Tst1のよりも大きいか否かを判定し、温度差ΔTの絶対値が所定のしきい値Tst1のよりも大きい場合には、ステップＳ５に移る。一方、ステップＳ４で、温度差ΔTの絶対値が所定のしきい値Tst1よりも小さい場合には、ステップＳ３へ戻り、燃料電池発電システム２８の運転中は、同じ処理を繰り返す。ステップＳ５では、制御装置３４に予め格納した温度差開度対応表のデータベースを参照して、温度差ΔTに対応した流量調節弁の開度を読み取る。ステップＳ６では、ステップＳ５で読み取った値に基づき、流量調節弁３０，３１の開度を調整し、再度Ｓ３に戻る。燃料電池発電システム２８の運転中は、同様の処理を繰り返す。

本実施形態によれば、燃料電池発電システムの運転中に、圧縮空気と燃料電池との温度差が極端に大きい場合であっても、両者の温度差が所定のしきい値内となるように圧縮空気の温度を調整することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池バイパス冷媒流路を備え、燃料電池に入る前の温度の低い冷媒の一部を熱交換器に入る冷媒に混合したため、燃料電池の温度に対して、圧縮機出口の空気温度が高くなる運転領域においても、圧縮空気を燃料電池の温度に合わせることができる。特に、本実施形態では、燃料電池と圧縮空気の温度を測定したため、所定量の低温の冷媒を熱交換器に導入する冷媒に混合することにより、両者の温度差を低減できるため、どのような運転領域であっても、精度良く圧縮空気を燃料電池の温度に合わせることができる。

＜第４実施形態（図５）＞
本実施形態では、第１実施形態で示した燃料電池発電システムにおける冷媒循環手段をさらに改良したものである。

図５は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。なお、図１に示した燃料電池発電システムの構成と同一箇所の説明は同一符号を使用してその説明を省略する。

図５に示すように、燃料電池発電システム３５の冷媒循環手段１２は、熱交換器９上流側で冷媒循環流路１３から分岐して、熱交換器９後流側に、熱交換器９をバイパスする熱交換器バイパス冷媒流路３６を接続している。環状の冷媒循環流路１３と熱交換器バイパス冷媒流路３６との分岐部後流側の熱交換器パイバス冷媒流路３６には流量調節弁３７を設置しており、流量調節弁３７には制御装置３８を接続している。

上記構成の燃料電池発電システム３５では、制御装置から流量調節弁３７に制御信号を送り、流量調節弁３７の開度を制御することにより、熱交換器バイパス冷媒流路３６に流れる冷媒の流量を調節している。

本実施形態によれば、燃料電池から排出される冷媒の一部を熱交換器バイパス流路に流通させて熱交換器の圧力損失を下げたため、循環ポンプの仕事量を減らし、燃料電池発電システムでの発電効率を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電システムの一例を概略的に示す構成図。本発明の第２実施形態を説明する図であり、図１に示す燃料電池発電システムを燃料電池式四輪自動車に搭載した図。本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電システムの一部を示す構成図。図３に示す制御装置で実行するバイパス流量制御の処理手順を示すフローチャート。本発明の第４実施形態に係る燃料電池発電システムを示す構成図。

符号の説明

１…燃料電池発電システム
２…燃料電池
３…圧縮機
４…電動機
５…圧縮空気供給流路
６…消音器
７…不純物除去フィルタ
８…触媒型ケミカルフィルタ
９…熱交換器
１０…加湿器
１１…流量調節弁
１２…冷媒循環手段
１３…冷媒循環流路
１４…ラジエータ
１５…循環ポンプ
１６…分岐流路
１７…流量調節弁

Claims

水素ガス及び空気中の酸素ガスを燃料として電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池に圧縮空気を送り込む圧縮機と、前記圧縮機から前記燃料電池までを接続して燃料電池に圧縮空気を供給する圧縮空気供給流路と、前記圧縮空気供給流路上に設けられ圧縮空気の温度を調節する熱交換器と、前記熱交換器の上流側に配置され圧縮空気中の不純物を除去する不純物除去フィルタと、を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
前記圧縮機から前記不純物除去フィルタまでの圧縮空気供給流路をエンジンコンパートメント内に配置すると共に、前記熱交換器から前記燃料電池までの圧縮空気供給流路を車体床下内に配置して、車両に搭載することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記不純物除去フィルタは、前記熱交換器よりも高い位置に配置することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記不純物除去フィルタ及び熱交換器の間の圧縮空気供給流路から分岐して接続されると共に前記燃料電池に接続された分岐流路と、前記分岐流路上に設置された流量調節弁と、を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記圧縮機及び不純物除去フィルタの間の圧縮空気供給流路上に、消音器を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記熱交換器の上流側の圧縮空気供給流路上に、触媒型ケミカルフィルタを設置することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記燃料電池及び熱交換器に接続されると共に、前記燃料電池から排出された冷媒を前記熱交換器に導入する冷媒循環手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
前記冷媒循環手段は、前記燃料電池及び熱交換器に接続して形成された冷媒循環流路と、燃料電池上流側の冷媒循環流路から分岐して前記燃料電池をバイパスして熱交換器上流側に接続した燃料電池バイパス冷媒流路と、を備えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池発電システム。
前記燃料電池と前記熱交換器に導入される圧縮空気との温度差が、予め設定された温度差以上になった場合に、前記冷媒循環流路及び燃料電池バイパス冷媒流路上に設置された流量調節弁の開度を調節して、燃料電池バイパス冷媒通路を流通する冷媒の流量を増加させる制御装置を備えることを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電システム。
前記冷媒循環手段は、前記燃料電池及び熱交換器に接続して形成された冷媒循環流路と、熱交換器上流側の冷媒循環流路から分岐して前記熱交換器をバイパスして熱交換器下流側に接続した熱交換器バイパス冷媒流路と、を備えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池発電システム。
前記熱交換器と前記燃料電池との間の圧縮空気供給流路上に加湿器を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。